20 October, 2019

Científicos aplican láser para conseguir materiales extremadamente hidrófobos

Los científicos de la Universidad de Rochester (EE.UU.) han conseguido convertir metales en un material que repele el agua sin necesidad de recubrimientos temporales, aplicando el láser de pulso electromagnético ultracorto.  La sustancia obtenida es pluvio-repelente, capaz de absorber la luz y purificarse por sí misma. Estas propiedades súper-hidrófobas podrían conducir a aplicaciones en paneles solares, saneamiento y metales inoxidables.

Foto Portada: El Profesor Chunlei Guo ha desarrollado una técnica que utiliza el láser para convertir los materiales en hidrófobos. La ilustración muestra una gota de agua rebotando en una muestra tratada. Foto por J. Adam Fenster / Universidad de Rochester

Los materiales súper-hidrófobos resultan útiles para una variedad de aplicaciones tales como la prevención de moho, evitar la formación de hielo, o incluso en usos de saneamiento. Sin embargo, como explica el Profesor Chunlei Guo de la  Universidad de Rochester, la mayoría de los materiales hidrófobos actuales se basan en recubrimientos químicos.

 

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Profesor Guo. Foto de University of Rochester

En un artículo  publicado en el Journal of Applied Physics (Diario de Física Aplicada), Guo y su colega del Instituto de Óptica de la Universidad de Rochester, Anatoliy Vorobyev, describen una técnica de modelado láser potente y precisa que crea un modelo complejo de estructuras a micro y nano-escala para conferir a los metales sus nuevas propiedades. La radiación generada por estos láseres ha creado nanoestructuras en la superficie de placas de titanio, platino y latón transformándolas en una materia multifuncional denominada por los científicos ‘supermaterial’. Este trabajo se basa en una investigación anterior de este mismo equipo en la que utilizaron una técnica de modelado láser similar que convertía los metales al color negro. Guo afirma que utilizando esta misma técnica pueden crear superficies multifuncionales que no sólo son súper-hidrófobas sino que también son altamente absorbentes ópticamente.

Guo añade que una de las grandes ventajas del proceso es que «las estructuras creadas por nuestro láser sobre los metales son parte intrínseca de la superficie del material.» Esto significa que no se borran. Y son estos patrones los que hacen que los metales repelan el agua. «El material es tan altamente repelente al agua que el agua realmente sale rebotada de el. Luego vuelve a aterrizar de nuevo en la superficie, para volver a ser rebotada y entonces es cuando termina por rodar fuera de la superficie. Todo ese proceso tarda menos de un segundo.», explica Guo, profesor de Óptica de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Hajim de la Universidad de Rochester.

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Fotos de J. Adam Fenster / University of Rochester

Material hidrófobo y anti polvo

Los materiales que Guo ha creado son mucho más resbaladizos que el teflón, un material hidrófobo común que a menudo se utiliza para recubrir las sartenes antiadherentes. A diferencia de los metales tratados con láser por Guo, los utensilios de cocina de teflón no son súper-hidrófobos. La diferencia está en que para conseguir que el agua ruede fuera de un material revestido de teflón, la superficie debe inclinarse a casi un ángulo de 70 grados antes de que el agua comience a deslizarse. Sin embargo en los metales de Guo, este efecto se consigue con tan solo inclinar el material 5 grados.

A medida que el agua rebota en las superficies súper- hidrófobas, también recoge partículas de polvo que se lleva por delante “en su paseo”. Para probar esta propiedad de auto-limpieza, Guo y su equipo pusieron polvo  común de una aspiradora sobre la superficie tratada. Aproximadamente la mitad de las partículas de polvo se eliminaron con sólo tres gotas de agua. Sólo se necesitaron una docena de gotas para dejar la  superficie impecable. Mejor aún, quedó completamente seca.

Potencial para zonas con escasez de agua

Guo está entusiasmado por las posibles aplicaciones de los materiales súper-hidrófobos en los países en desarrollo. Es este potencial el que ha despertado el interés de la Fundación Bill y Melinda Gates, que ha apoyado el trabajo. «En estas regiones, la recolección de agua de lluvia es de vital importancia y el uso de materiales súper-hidrófobos podría aumentar la eficiencia sin la necesidad de utilizar grandes embudos con ángulos agudos para evitar que el agua se pegue a la superficie», dice Guo. «Una segunda aplicación podría ser la creación de letrinas que sean más higiénicas y saludables.» En efecto, las letrinas presentan un importante desafío a la hora de mantenerlas limpias en lugares donde escasea el agua. Mediante la incorporación de materiales súper-hidrófobos, una letrina podía permanecer limpia sin necesidad de descarga de agua.

Pero según Guo, aún quedan retos que abordar antes de que estas aplicaciones puedan llegar a ser una realidad. En la actualidad, se necesita una hora para modelar  una muestra de metal de 1 pulgada por 1 pulgada, y se necesitaría escalar este proceso antes de que pueda ser desplegado en los países en desarrollo. Al mismo tiempo, los investigadores también están estudiando formas de aplicar la técnica a otros materiales, no metálicos.

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Fotos de J. Adam Fenster / University of Rochester

 

Alta eficiencia en absorción de luz

Guo y Vorobyev utilizan pulsos de láser extremadamente potentes, pero ultra-cortos para cambiar la superficie de los metales. Un pulso de láser de femtosegundo dura del orden de un cuadrillonésima de un segundo, pero durante su corta ráfaga alcanza un pico de potencia equivalente a la de toda la red eléctrica de América del Norte.

Guo subraya que esta misma técnica puede dar lugar a los metales multifuncionales. Los metales son naturalmente excelentes reflectores de la luz. Es por eso que presentan un lustre brillante. Convertirlos en negro, puede por lo tanto hacerlos muy eficientes en la absorción de luz. La combinación de propiedades de absorción de luz con la fabricación de metales repelentes al agua podría conducir a “absorbentes” solares más eficientes – absorbentes solares que no se oxidan y no necesitan mucha limpieza.

El equipo de Guo ya había sometido materiales a láser anteriormente consiguiendo convertirlos en hidrófilos, lo que significa que atraen el agua. De hecho, los materiales eran tan hidrófilos que al ponerlos en contacto con una gota de agua, esta llegaba a correr «cuesta arriba».

El equipo de Guo se está planeando ahora centrarse en aumentar la velocidad de modelando de las superficies con el láser, así como estudiar la forma de ampliar esta técnica a otros materiales como semiconductores o dieléctricos, abriendo la posibilidad de la electrónica repelente al agua.

La financiación de la investigación ha sido proporcionada por la Fundación Bill y Melinda Gates   y la Oficina de Investigación Científica de las Fuerzas Aéreas de Estados Unidos  .

El artículo “Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses,” «superficies multifuncionales producidas por pulsos láser de femtosegundo», fue publicado en el Journal of Applied Physics el 20 de enero 2015 (DOI: 10.1063 / 1.4905616). Se puede acceder a el en el enlace: http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jap/117/3/10.1063/1.4905616

Vídeo: Utilización del láser para crear materiales súper-hidrófobos


 

 

 

 

 

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